Принцип работы светодиода: как устроены и работают светодиоды простыми словами, из чего состоит элемент и в чем особенности строения разных диодов
Источник:
|
С момента открытия монохромных красных светодиодов в 1962 году началось активное развитие полупроводниковых источников света.
Открытие синего и белого диодов перевело технологию на новый уровень.
С тех пор постоянно меняется устройство светодиода, его хаpaктеристики и конструкция. Сейчас они широко используются в светотехнике, электронике и других областях.
Содержание
- 1 Что такое светодиод простыми словами
- 2 Как устроены и чем отличаются светодиоды разных типов
- 3 Как работают светодиоды: принцип действия
- 4 Получение светодиода определенного цвета
- 5 Основные выводы
Что такое светодиод простыми словами
Светодиод – это полупроводниковое устройство, создающее излучение при прохождении через него электрического тока. Из чего состоит светодиод: из кристалла, заключенного в защитный корпус с выводами. Кристалл расположен на непроводящей подложке и излучает определенный цвет. Для получения нужного свечения используются химические составы из различных полупроводников и люминофоры.
Кристалл состоит из двух и более полупроводников разного типа проводимости. Принцип работы светодиода следующий – в прямом направлении через него пропускают электрический ток. В электронно-дырочном переходе на границе двух веществ происходит движение электронов и дырок, в результате чего выделяется энергия в виде кванта света и прибор начинает светить.
Преимущества:
- высокая светоотдача;
- высокая механическая прочность и виброустойчивость;
- долгий срок работы;
- малый нагрев;
- от количества циклов включения-выключения не зависит срок работы;
- различный спектр белых светодиодов – от 2700 К до 6500 К;
- спектральная чистота, полученная благодаря принципу устройства;
- отсутствует задержка при включении;
- широкий диапазон углов излучения (от 15 градусов до 180 градусов) ;
- электрическая безопасность, так как не требуются высокие напряжения;
- отсутствие чувствительности к низким температурам;
- надежность;
- разнообразие форм;
- экономичность;
- экологичность, ввиду отсутствия в конструкции светодиода ртути и других вредных компонентов в составе светоизлучающего диода.
Недостатки:
- нельзя допускать работы при высоких температурах – кристалл начинает деградировать;
- высокая стоимость готового изделия.
Применение:
- уличное, домашнее и производственное освещение;
- индикация;
- уличная реклама, бегущие строки;
- фонари и светофоры;
- подсветка экранов телефона, телевизора, компьютера и других жидкокристаллических дисплеев;
- игрушки, значки и другие развлекательные элементы;
- диодные дорожные знаки;
- световые шнуры Дюралайт;
- в фитолампах.
Осветительный прибор на основе светодиодов состоит из:
- излучающего диода;
- драйвера;
- цоколя;
- корпуса.
Из крупных производителей светодиодов можно выделить японскую фирму Nichia Corporation и ее подразделение Nichia Chemical. Они являются лидерами по изготовлению сверхъярких диодов синего, белого и зеленого цвета. Также изготовлением излучающих диодов занимаются компании Phillips, Cree, Seoul Semiconduction из российских можно выделить Оптоган и Светлана-Оптоэлектроника.
В Nichia Chemical впервые разработали белый и синий светодиод.
Как устроены и чем отличаются светодиоды разных типов
Светодиоды можно классифицировать по разным критериям. Основное отличие – в технологии и электрических параметрах.
DIP
Сокращение DIP пошло от слов Direct In-line Package. Такие светодиоды известны еще с конца прошлого века. Устройство представляет собой стеклянную или пластиковую прозрачную колбу размером 3 или 5 мм, в которой находится полупроводниковый кристалл. Колба является линзой и формирует направленный пучок света. Кристалл закрепляется на катоде, который с помощью провода соединяется с анодом. Из корпуса выходят контакты в виде металлических ножек, через которые светодиод и включается в схему.
Читайте также Особенности и технические хаpaктеристики светодиодов АЛ307По форме бывают круглые, овальные, прямоугольные. Напряжение питания – до 5 В при 25 мА.
Обычно внутри линзы располагается один кристалл, но есть модели с двумя и более разных цветов. Такие модели могут оснащаться тремя и четырьмя выводами. Принцип работы светодиода подобного вида задает микрочип.
Dip светодиоды являются малоточными, они используются в гирляндах, для индикации, в подсветке, уличном освещении. По сравнению с SMD диодами они имеют следующие преимущества:
- яркость;
- направленный световой поток;
- долгий срок службы при работе на улице;
- потрeбление электроэнергии.
Основной недостаток – большой размер, от 3 мм.
Важно! С течением времени яркость свечения может уменьшаться. Это связано с деградацией кристалла и материалов, из чего делают светодиоды.
SMD
Светодиоды SMD – это приборы для крепления на поверхность. В настоящее время этот тип диодов является самым востребованным. С их появлением расширились возможности создания осветительных систем. Начали уменьшаться размеры светильника, монтаж автоматизирован.
Как устроен светодиод SMD – излучающий кристалл закреплен на подложке, от которой отводится тепло. К ней вмонтированы выходы. Внутри размещен управляющий чип. Защитой является овальная или сферическая линза из стекла или пластика.
Преимущества SMD:
- небольшая цена;
- надежность;
- срок службы;
- высокая светоотдача.
SMD светодиоды в смеху включаются при помощи специального клея. Самые маленькие диоды имеют размер 0,6х0,3 мм. Максимальная яркость – 8000 кд/кв.м.
Существует технология, при которой кристалл наносится на проводящую подложку без использования корпуса. В качестве защиты используется специальный слой, который выбирается по назначению светодиодов.
Используются для подсветки интерьеров, уличных билбордов, рекламных экранов с широким разрешением.
COB
Chip On Board (COB) светодиоды имеют большое количество кристаллов на одной подложке. Также их называют светодиодной матрицей. Сверху заливается люминофором.
Основные преимущества:
- простота монтажа;
- хороший поток света;
- высокий CRI;
- разнообразие форм.
Недостатки:
- стоимость;
- самый срок службы;
- светоотдача ниже, чем у SMD.
КОБы активно используются в создании ярких прожекторов и в других светильниках, где требуется акцентированная подсветка.
Важно! Из-за высокого нагрева требуется силиконовая оптика. Она устойчива к высоким температурам. Перед подключением ее нужно подготовить, иначе подложка деформируется и кристалл повредится.
Как работают светодиоды: принцип действия
Электрический ток преобразуется в свет в кристалле. Он состоит из двух полупроводников различного типа проводимости – n и p. N-проводимость обеспечивается легированием электронов в полупроводник, p – дырок.
Принцип действия светодиода заключается в появлении свечения при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе под действием тока, приложенного в прямом направлении. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой появляются фотоны.
Читайте также Светодиод 1 Вт: хаpaктеристика LED лампы на 1 WНе все полупроводниковые материалы способны давать свет при рекомбинации. Для создания светодиодов используются прямозонные полупроводники, в которых разрешен прямой оптический переход зона-зона. К таким материалам относятся A3B5 (InP, GaAs), A2B4 (CdTe). В зависимости от состава можно получать светодиоды от ультрафиолетовых до инфpaкрасных.
Как работает светодиод, зависит от электронно-дырочного перехода. Условия пропускания света p-n переходом:
- близость ширины запрещенной зоны к энергии кванта света;
- минимальное содержание дефектов в полупроводниковом кристалле.
Для реализации этих требований одного p-n перехода недостаточно. Нужно создавать многослойные структуры – гетероструктуры, состоящие из нескольких полупроводников.
Получение светодиода определенного цвета
Для получения светодиода того или иного цвета используется три технологии – покрытие люминофором, использование RGB светодиодов и применение разных полупроводниковых материалов.
Покрытие люминофором
Люминофором называется вещество, которое может преобразовать поглощаемую энергию в свет. Получение светодиодов путем нанесения люминофора на поверхность имеет свои преимущества:
- простота конструкции;
- низкая стоимость производства;
- экономия.
К недостаткам относятся:
- снижение светоотдачи из-за потери световой энергии;
- влияние на цветовую температуру;
- быстрее стареет при эксплуатации.
Люминофор используется в белых светодиодах. С помощью люминофорного покрытия создаются диоды с различной цветовой температурой.
RGB-технология
Смешивание цветов по RGB технологии также помогает получить светодиоды различного спектра (обычно используются для белого). На матрице устанавливаются 3 монокристалла, каждый из них дает свой спектр RGB. Путем конструирования оптической системы цвета смешиваются и дают нужный оттенок.
Преимущества:
- возможность поочередного включения того или иного цвета вручную или автоматически;
- можно вызывать разные оттенки, меняющиеся по времени;
- создание эффектных осветительных конструкций для рекламы и дизайна.
Недостатки:
- неравномерность светового пятна;
- неравномерность нагрева и отвода тепла.
Отрицательные качества вызваны расположением кристаллов полупроводника на поверхности. Из-за этого качественно организовать RGB модель сложно.
Применение различных примесей и полупроводников
Работа светодиода напрямую зависит от материала, из которого он выполнен. Использование полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно добиться нужного света от диода. От ширины запрещенной зоны зависит длина волны.
Для получения приборов в инфpaкрасном и красном цветовом спектре используются твердые растворы на основе арсенида галлия. Оранжевые, желтые и зеленые цвета получаются при помощи фосфида галлия. Синие, фиолетовые и ультрафиолетовые изготавливаются на основе нитрида галлия.
Основные выводы
Светодиоды – это компоненты, которые активно используются во многих сферах деятельности. Их можно встретить в освещении улиц и домов, подсветке экранов мобильного телефона и компьютера, в качестве индикаторов. Строение элемента: полупроводниковый кристалл, подложка, линза и электроды.
Излучающие диоды бывают нескольких типов – SMD, DIP, COB, они различаются по конструкции и техническим хаpaктеристикам. Получить устройство нужного цвета можно с помощью RGB технологии, нанесения люминофора на поверхность и путем подбора полупроводников для кристалла. Производство светодиодов активно развивается, и появляются все новые приборы с улучшенными хаpaктеристиками.
СледующаяКомментарии:
Для России это экзотическая культура, для выращивания которой отбираются зимостойкие сорта...
04 05 2024 0:34:24
Некоторые виды таких растений могут вырастать до 70 метров в высоту, а также до 6 метров в диаметре...
03 05 2024 3:31:26
Для чего нужна процеДypa и как сформировать растение? Самый красивый пустынный и ядовитый цветок адениум из рода кустарниковых растений, удерживающих влагу...
02 05 2024 18:28:27
Поэтому данное растение можно смело относить к универсальным целебным веществам...
01 05 2024 5:25:59
Предлагаем удобную памятку для тех, кто привык окультуривать почву и хочет использовать доломитку...
30 04 2024 16:33:53
С весны до осени их подкармливают примерно раз в 7-10 дней удобрениями с высоким содержанием азота, фосфора и калия...
29 04 2024 14:13:38
Его главная задача – снабжение почвы и корневой системы растений влагой...
28 04 2024 7:56:36
При этом многие садоводы и огородники не знают, что это такое и почему хелаты полезнее, чем сульфаты, карбамиды или другие неорганические соли...
27 04 2024 3:16:40
Однако порой они подвергаются нападению вредителей, поэтому каждой хозяйке важно знать, как избавиться от мошек в комнатных цветах...
26 04 2024 21:37:13
К сожалению, этот «непризнанный гладиолус» встречается на садовых и дачных территориях не так уж часто, и заключается такая несправедливость в высокой стоимости растения...
25 04 2024 0:30:19
Названий у этого цветка несколько: китайская роза, суданская роза, египетская роза, каркаде...
24 04 2024 4:52:43
И неудивительно – зеленые стручки с сочными и сладкими горошинами сразу вызывают аппетит...
23 04 2024 21:49:21
Это дерево из года в год дает неплохие урожаи ягод, причем зачастую безо всякого ухода...
22 04 2024 4:50:20
У нее очень быстро проходит вегетационный процесс от 30 до 45 дней, поэтому многие дачники выращивают ее несколько раз за весенне-летний сезон...
21 04 2024 0:44:30
Растениям вредит не сам мороз, а скорость охлаждения и скорость оттаивания...
20 04 2024 5:47:39
У него множество имен – лаконос ягодный или костянковый, фитолакка американская...
19 04 2024 18:22:53
Один раз в 5-6 лет старые кусты рекомендуется пересаживать, эту процедуру растение воспринимает благодарно, быстро восстанавливается...
18 04 2024 5:10:24
Притягательность садового прострaнcтва в вечерние и ночные часы обеспечивается многообразием ароматов, исходящих от душистых растений...
17 04 2024 8:17:27
В открытом грунте величественные деревья и кусты встречаются в садах юга Краснодара, в Крыму...
16 04 2024 1:57:21
Но, чтобы получить крупный и хороший урожай, необходимо знать как правильно и когда в Сибири высаживать чеснок на зиму...
15 04 2024 9:24:59
Он используется, как срезанный цветок для ваз и букетов...
14 04 2024 0:43:27
Перед тем, как провести посадку чеснока, подготавливают грунт, учитывают благоприятное время, и подбирают правильный способ...
13 04 2024 15:50:44
Эта салатная культура просто поражает обилием витаминов и высокой стоимостью...
12 04 2024 15:29:40
Данный род объединяет больше 50 видов...
11 04 2024 6:28:52
Категория: Садовые растения Опубликовано: 22 февраля 2019 Последние правки: 20 января 2021 Посадка и уход за кольквицией Ботаническое описание Посадка кольквиции в открытый грунт Когда сажать Как сажать Уход за кольквицией в саду Условия выращивания Пересадка Размножение кольквиции Вредители и болезни Кольквиция после цветения Особенности выращивания в Подмосковье Виды и сорта Литература Полезные ссылки Комментарии Кольквиция (лат...
10 04 2024 22:56:20
Как природный антисептик, гибискус отлично очищает воздух в квартирах и офисах...
09 04 2024 3:53:25
Последнего представителя можно увидеть как на приусадебном участке, так и на подоконнике...
08 04 2024 18:32:44
Но все же для успешного выращивания капусты необходимо создать для нее благоприятные условия...
07 04 2024 20:10:32
Кроме вечнозеленой красоты, они еще и приносят огромную пользу для здоровья своих владельцев – обогащают воздух целебными фитонцидами, способными уничтожать патологическую микрофлору в окружающей среде...
06 04 2024 0:58:29
Если есть участок, то можно вырастить зелень самостоятельно, например, такую как руккола...
05 04 2024 1:10:20
Но, несмотря на это, мы сегодня рассмотрим основные способы посадки картофеля...
04 04 2024 22:41:21
Особую популярность они заслужили благодаря необыкновенной красоте, длительному цветению и неприхотливости при комнатном выращивании...
03 04 2024 23:43:45
Селекционеры предлагают все больше разновидностей семян ранних гибридов помидор...
02 04 2024 1:48:11
Однако у растения есть и другие названия, такие как эстрагон и полынь эстрагонная...
01 04 2024 5:30:47
Полулистопадная лиана с оригинальными листьями и цветами растет очень быстро, легко поддается формировке...
31 03 2024 19:40:55
Снежноцвет виргинский Популярные материалы Today’s: Требования к газовой котельной в частном доме 2021 снип...
30 03 2024 15:59:52
Особенно эффектно смотрятся они на фоне папоротников и в тени хвойных, но возможны и одиночные посадки, главное – правильно сформировать культуру по тонам или же высадить многолетник группой одного цвета...
29 03 2024 14:55:45
Родина эустомы – Центральная Америка, а именно – это Мексика и южная часть США...
28 03 2024 12:50:42
Категория: Садовые растения Опубликовано: 10 февраля 2019 Последние правки: 03 ноября 2020 Прослушать статью Посадка и уход за тунбергией Ботаническое описание Выращивание тунбергии из семян Как сеять семена Уход за рассадой Посадка тунбергии Когда сажать Как посадить Уход за тунбергией Условия выращивания Вредители и болезни Тунбергия после цветения Как и когда собирать семена Тунбергия зимой Виды и сорта Тунбергия крылатая (Thunbergia alata) Тунбергия крупноцветковая (Thunbergia grandiflora), тунбергия грандифлора, тунбергия гoлyбая Тунбергия душистая (Thunbergia fragrans) Тунбергия Баттискомба (Thunbergia battiscombei) Литература Полезные ссылки Комментарии Лиана тунбергия (лат...
27 03 2024 14:37:53
Но вполне актуальным становится вопрос, как ухаживать за мaндариновым деревом в дальнейшем...
26 03 2024 15:31:56
Лаватера не имеет особых требований, быстро растет, достигает 60-100 см в высоту...
24 03 2024 16:59:40
Среди хвойников мне очень понравился кипарисовик Булевард, представленный на данном фото, и я решила посадить такое растение у себя на даче...
23 03 2024 16:48:40
Хорошая новость в том, что и дачники с многолетним опытом, и агротехники утверждают, что это возможно...
22 03 2024 15:46:49
Семейство камнеломковых включает в себя около двухсот пятидесяти видов растений...
21 03 2024 9:19:36
Впишите туда чечевицу! А если хотите, то успеете еще поэкспериментировать с озимым посевом! Чечевица — это бобовое и неприхотливое растение прохладного сезона, которое можно посеять весной уже за 2 недели до средней даты последних заморозков, либо под зиму по морковному принципу – когда семена сеют так, чтобы они гарантированно не проросли до наступления холодов, то есть в промерзшую (на глубину 5 см) почву...
20 03 2024 8:41:30
Однако формирование куста проводят на протяжении всего лета: зелёные операции виноград переносит безболезненно...
17 03 2024 1:17:39
Кроме того, эти кустарники легко размножить и они устойчивы к болезням и вредителям...
16 03 2024 4:22:27
Еще:
товары -1 :: товары -2 :: товары -3 :: товары -4 :: товары -5 :: товары -6 :: товары -7 :: товары -8 :: товары -9 :: товары -10 :: товары -11 :: товары -12 ::